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High-bandwidth current-probing techniques for the dynamic characterization of wide-bandgap semiconductor devices
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-30
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03518
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1009542/files/1009542.pdf
Einrichtungen
- Lehrstuhl für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (614510)
- Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (614500)
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
WBG semiconductor devices (frei) ; current measurement (frei) ; double-pulse test (frei) ; high-bandwidth (frei) ; radial shunt (frei) ; switching loss (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die kontinuierliche Nachfrage nach höherer Effizienz und Leistungsdichte treibt die Entwicklung moderner Leistungselektronik voran, insbesondere in mobilen Anwendungen. Halbleiter mit breitem Bandabstand (WBG) spielen dabei eine Schlüsselrolle, da sie hohe Schaltgeschwindigkeiten und geringe Verluste ermöglichen. Eine präzise dynamische Charakterisierung mittels Doppelpulsversuch ist entscheidend, um diese Bauelemente zu optimieren. Es wurde nachgewiesen, dass parasitäre Induktivitäten und die begrenzte Bandbreite der Stromsonde zu den kritischsten Einflussfaktoren für zuverlässige Messergebnisse gehören. Gängige Lösungen, wie koaxiale Shunts mit einer Induktivität von ca. 2 nH, sind für die Messung sehr schneller Schalttransienten ungeeignet, da sie erhebliche Störungen verursachen. Diese Dissertation stellt einen neuartigen Shunt-Widerstand vor, der auf radial angeordneten Dünnschichtwiderständen basiert. Das Design minimiert die Induktivität auf unter 100 pH und bietet eine nutzbare Bandbreite von über 2 GHz. Zusätzlich wird ein induktiver Sensor als Referenz entwickelt. Dieser basiert auf einer planaren Spule, die in eine mehrlagige Leiterplatte integriert ist, und erreicht eine ähnliche Bandbreite. Beide Methoden wurden mit einer niederinduktiven Galliumnitrid-Schaltzelle validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der radiale Shunt-Widerstand bestehende Lösungen zur dynamischen Charakterisierung von WBG-Halbleitern übertrifft. Seine hohe Genauigkeit, kombiniert mit einem innovativen Design und einer leicht reproduzierbaren Fertigungstechnik, macht ihn zu einem wertvollen Werkzeug für den Fortschritt der Leistungselektronik. Diese Arbeit setzt einen neuen Standard für Hochfrequenz-Strommessungen und erweitert die Grenzen der Präzision in der Charakterisierung von WBG-Halbleitern.The continuous demand for higher efficiency and power density drives the development of modern power electronics, particularly in mobile applications. Wide-bandgap (WBG) semiconductors are key enablers, offering high switching speeds and low losses. Accurate dynamic characterization via the double-pulse test is essential to optimize these devices. It has been verified that the parasitic inductance and the limited bandwidth of the current probe are among the most critical variables for achieving reliable measurement results. Common solutions, such as coaxial shunts with an inductance of approx. 2 nH, are unsuitable for measuring very fast switching transients, as they introduce significant disturbances. This dissertation introduces a novel shunt resistor based on radially arranged thin-film resistors. The design minimizes the inductance to below 100 pH and offers a usable bandwidth beyond 2 GHz. Additionally, an inductive sensor is designed as a reference. It is based on a planar pick-up coil embedded in a multilayer circuit board and achieves a similar bandwidth. Both methods were validated with a low-inductive Gallium Nitride switching cell. The results demonstrate that the radial shunt resistor outperforms existing solutions for the dynamic characterization of WBG semiconductors. Its high accuracy, combined with an innovative design and an easy-to-reproduce assembly technique, makes it a valuable tool for advancing power electronics. This work establishes a new standard for high-frequency current measurements, pushing the boundaries of precision in WBG semiconductor characterization.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031055261
Interne Identnummern
RWTH-2025-03518
Datensatz-ID: 1009542
Beteiligte Länder
Germany
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